دانلود کتاب Water-resources engineering

فهرست مطالب :

Cover......Page 1
Contents......Page 6
Preface......Page 16
1.2 The Hydrologic Cycle......Page 20
1.3.1 Water-Control Systems......Page 24
1.3.2 Water-Use Systems......Page 25
1.3.3 Supporting Federal Agencies in the United States......Page 26
Problem......Page 27
2.2.1 Steady-State Continuity Equation......Page 28
2.2.2 Steady-State Momentum Equation......Page 29
2.2.3 Steady-State Energy Equation......Page 41
2.2.3.1 Energy and hydraulic grade lines......Page 44
2.2.3.3 Head losses in transitions and fittings......Page 46
2.2.3.4 Head losses in noncircular conduits......Page 50
2.2.3.5 Empirical friction-loss formulae......Page 51
2.2.4 Water Hammer......Page 54
2.3 Pipe Networks......Page 58
2.3.1 Nodal Method......Page 59
2.3.2 Loop Method......Page 61
2.4 Pumps......Page 65
2.4.1 AffinityLaws......Page 70
2.4.2.1 Commercially available pumps......Page 72
2.4.2.2 System characteristics......Page 73
2.4.2.3 Limits on pump location......Page 74
2.4.3 Multiple-Pump Systems......Page 77
2.4.4 Variable-Speed Pumps......Page 79
Problems......Page 81
3.2 Water Demand......Page 89
3.2.1.1 Estimation of per-capita demand......Page 90
3.2.1.2 Estimation of population......Page 91
3.2.2 Temporal Variations in Water Demand......Page 95
3.2.3 Fire Demand......Page 96
3.2.4 Design Flows......Page 98
3.3.1 Pipelines......Page 100
3.3.1.1 Minimumsize......Page 101
3.3.1.3 Pipe materials......Page 102
3.3.4 Meters......Page 104
3.3.5 Fire Hydrants......Page 105
3.3.6 Water-Storage Reservoirs......Page 106
3.4 Performance Criteria for Water-Distribution Systems......Page 109
3.4.3 Water Quality......Page 110
3.4.4 Network Analysis......Page 111
3.5 Building Water-Supply Systems......Page 112
3.5.2 Specification of Minimum Pressures......Page 113
3.5.3 Determination of Pipe Diameters......Page 115
Problems......Page 120
4.2.1 Steady-State Continuity Equation......Page 122
4.2.2 Steady-State Momentum Equation......Page 123
4.2.2.1 Darcy–Weisbach equation......Page 125
4.2.2.2 Manning equation......Page 129
4.2.2.3 Other equations......Page 138
4.2.2.4 Velocity distribution......Page 139
4.2.3 Steady-State Energy Equation......Page 140
4.2.3.2 Specific energy......Page 144
4.3.1 Profile Equation......Page 151
4.3.2 Classification of Water-Surface Profiles......Page 153
4.3.3 Hydraulic Jump......Page 158
4.3.4 Computation of Water-Surface Profiles......Page 162
4.3.4.1 Direct-integration method......Page 164
4.3.4.2 Direct-step method......Page 166
4.3.4.3 Standard-step method......Page 167
4.3.4.4 Practical considerations......Page 169
4.3.4.5 Profiles across bridges......Page 173
Problems......Page 178
5.1 Introduction......Page 185
5.2.1 Best Hydraulic Section......Page 186
5.2.2 Boundary Shear Stress......Page 189
5.2.3 Cohesive versus Noncohesive Materials......Page 191
5.2.4 Bends......Page 196
5.2.6 Freeboard......Page 197
5.3 Design of Channels with Rigid Linings......Page 199
5.4 Design of Channels with Flexible Linings......Page 201
5.4.1 General Design Procedure......Page 202
5.4.2 Vegetative Linings and Bare Soil......Page 206
5.4.3 RECP Linings......Page 216
5.4.4 Riprap, Cobble, and Gravel Linings......Page 218
5.4.5 Gabions......Page 222
5.5 CompositeLinings......Page 224
Problems......Page 227
6.2.1 Residential Sources......Page 230
6.2.2 Nonresidential Sources......Page 231
6.2.3 Inflow and Infiltration (I/I)......Page 232
6.2.4 Peaking Factors......Page 233
6.3 Hydraulics of Sewers......Page 235
6.3.1 Manning Equation with Constant n......Page 237
6.3.2 Manning Equation with Variable n......Page 239
6.3.3 Self-Cleansing......Page 242
6.3.5 Design Computations for Diameter and Slope......Page 243
6.3.6 Hydraulics of Manholes......Page 246
6.4.2 Pipe Material......Page 248
6.4.6 Manholes......Page 250
6.4.8 Force Mains......Page 252
6.4.9 Hydrogen-Sulfide Control......Page 253
6.5 Design Computations......Page 255
6.5.1.2 Minimum slope for self-cleansing......Page 256
6.5.2 Procedure for System Design......Page 259
Problems......Page 266
7.2.1 Hydraulics......Page 269
7.2.1.1 Submerged entrances......Page 271
7.2.1.2 Unsubmerged entrances......Page 278
7.2.2 Design Constraints......Page 281
7.2.3 Sizing Calculations......Page 283
7.2.3.1 Fixed-headwater method......Page 284
7.2.3.2 Fixed-flow method......Page 288
7.2.4 Roadway Overtopping......Page 290
7.2.5 Riprap/Outlet Protection......Page 293
7.3 Gates......Page 294
7.3.1 Free Discharge......Page 295
7.3.2 Submerged Discharge......Page 298
7.3.3 Empirical Equations......Page 300
7.4.1.1 Rectangular weirs......Page 301
7.4.1.2 V-notchweirs......Page 307
7.4.1.3 Compound weirs......Page 310
7.4.1.4 Other types of sharp-crested weirs......Page 312
7.4.2.1 Rectangular weirs......Page 313
7.4.2.2 Compound weirs......Page 316
7.4.2.3 Gabionweirs......Page 317
7.5.1 Uncontrolled Spillways......Page 318
7.5.2 Controlled (Gated) Spillways......Page 326
7.5.2.1 Gates seated on the spillway crest......Page 327
7.5.2.2 Gates seated downstream of the spillway crest......Page 328
7.6.1 Type Selection......Page 331
7.6.2 Design Procedure......Page 333
7.7 Dams and Reservoirs......Page 337
7.7.1 Types of Dams......Page 338
7.7.2 Reservoir Storage......Page 341
7.7.2.1 Sediment accumulation......Page 342
7.7.2.2 Determination of storage requirements......Page 345
7.7.3.1 Turbines......Page 347
7.7.3.2 Turbine performance......Page 352
7.7.3.3 Feasibility of hydropower......Page 353
Problems......Page 354
8.1 Introduction......Page 363
8.2.1 Discrete Probability Distributions......Page 364
8.2.2 Continuous Probability Distributions......Page 365
8.2.3 Mathematical Expectation and Moments......Page 366
8.2.4 Return Period......Page 369
8.2.5.1 Binomial distribution......Page 370
8.2.5.2 Geometric distribution......Page 372
8.2.5.3 Poisson distribution......Page 373
8.2.5.4 Exponential distribution......Page 375
8.2.5.5 Gamma/Pearson Type III distribution......Page 376
8.2.5.6 Normal distribution......Page 379
8.2.5.7 Log-normal distribution......Page 381
8.2.5.8 Uniform distribution......Page 382
8.2.5.9 Extreme-value distributions......Page 383
8.2.5.10 Chi-square distribution......Page 390
8.3.1.1 Probability distribution of observed data......Page 391
8.3.1.2 Hypothesis tests......Page 395
8.3.2.1 Method of moments......Page 398
8.3.2.2 Maximum-likelihood method......Page 401
8.3.2.3 Method of L-moments......Page 402
8.3.3 Frequency Analysis......Page 406
8.3.3.1 Normal distribution......Page 407
8.3.3.2 Log-normal distribution......Page 408
8.3.3.3 Gamma/Pearson Type III distribution......Page 409
8.3.3.4 Log-Pearson Type III distribution......Page 410
8.3.3.5 Extreme-value Type I distribution......Page 412
8.3.3.6 General extreme-value (GEV) distribution......Page 413
8.4 Uncertainty Analysis......Page 414
Problems......Page 416
9.2 Rainfall......Page 420
9.2.1 Measurement of Rainfall......Page 422
9.2.2 Statistics of Rainfall Data......Page 424
9.2.2.2 Secondary estimation of IDF curves......Page 429
9.2.3 Spatial Averaging and Interpolation of Rainfall......Page 435
9.2.4.1 Return period......Page 440
9.2.4.4 Temporal distribution......Page 441
9.2.4.5 Spatial distribution......Page 447
9.2.5 Extreme Rainfall......Page 448
9.2.5.2 Statistical estimation method......Page 449
9.2.5.4 Probable maximum storm......Page 451
9.3.1 Interception......Page 452
9.3.3 Infiltration......Page 456
9.3.3.1 The infiltration process......Page 458
9.3.3.2 Horton model......Page 461
9.3.3.3 Green–Ampt model......Page 466
9.3.3.4 NRCS curve-number model......Page 472
9.3.3.5 Comparison of infiltration models......Page 479
9.3.4 Rainfall Excess on Composite Areas......Page 480
9.4 Baseflow......Page 483
Problems......Page 487
10.2 Mechanisms of Surface Runoff......Page 492
10.3.1.1 Kinematic-wave equation......Page 493
10.3.1.2 NRCS method......Page 497
10.3.1.4 Izzard equation......Page 500
10.3.1.5 Kerby equation......Page 501
10.3.2 Channel Flow......Page 503
10.3.3 Accuracy of Estimates......Page 505
10.4.1 The Rational Method......Page 506
10.4.2 NRCS-TR55 Method......Page 511
10.5.1 Unit-Hydrograph Theory......Page 514
10.5.2 Instantaneous Unit Hydrograph......Page 520
10.5.3 Unit-Hydrograph Models......Page 521
10.5.3.1 Snyder unit-hydrograph model......Page 522
10.5.3.2 NRCS dimensionless unit hydrograph......Page 525
10.5.4 Time-Area Models......Page 528
10.5.5 Kinematic-Wave Model......Page 533
10.5.6 Nonlinear-Reservoir Model......Page 534
10.5.7 Santa Barbara Urban Hydrograph Model......Page 536
10.5.8 Extreme Runoff Events......Page 538
10.6.1.1 Modified Puls method......Page 539
10.6.1.2 Muskingum method......Page 543
10.6.2 Hydraulic Routing......Page 550
10.7.1 Event-Mean Concentrations......Page 552
10.7.2.1 USGS model......Page 554
10.7.2.2 EPA model......Page 556
Problems......Page 558
11.2 Street Gutters......Page 564
11.3 Inlets......Page 568
11.3.1 CurbInlets......Page 569
11.3.2 Grate Inlets......Page 573
11.3.3 Combination Inlets......Page 579
11.3.4 Slotted Inlets......Page 584
11.4 Roadside and Median Channels......Page 585
11.5 Storm Sewers......Page 586
11.5.1 Calculation of Design Flow Rates......Page 587
11.5.2 Pipe Sizing and Selection......Page 590
11.5.3 Manholes......Page 595
11.5.4 Determination of Impervious Area......Page 596
11.5.5 System-Design Computations......Page 597
11.5.6 Other Design Considerations......Page 602
Problems......Page 603
12.2.2 Quality Control......Page 605
12.3.1 Storage Impoundments......Page 606
12.3.1.1 Detentionbasins—Designparameters......Page 607
12.3.1.2 Wet detention basins......Page 609
12.3.1.3 Dry detention basins......Page 611
12.3.1.4 Design of outlet structures......Page 612
12.3.1.5 Design for flood control......Page 618
12.3.2 Infiltration Basins......Page 622
12.3.3 Swales......Page 624
12.3.3.1 Retention swales......Page 625
12.3.3.2 Biofiltration swales......Page 626
12.3.5 Bioretention Systems......Page 629
12.3.6 Exfiltration Trenches......Page 631
12.3.6.1 General design guidelines......Page 632
12.3.6.2 Design for flood control......Page 633
12.3.6.3 Design for water-quality control......Page 635
12.3.7 Subsurface Exfiltration Galleries......Page 636
12.4.2 Structural SCMs......Page 637
Problems......Page 638
13.2 Penman–Monteith Equation......Page 643
13.2.1 Aerodynamic Resistance......Page 644
13.2.2 Surface Resistance......Page 645
13.2.3.1 Shortwave radiation......Page 646
13.2.3.2 Longwave radiation......Page 648
13.2.4 Soil Heat Flux......Page 649
13.2.6 Psychrometric Constant......Page 650
13.2.9 Actual Vapor Pressure......Page 651
13.2.10 Air Density......Page 652
13.3 Application of the PM Equation......Page 653
13.4 Potential Evapotranspiration......Page 656
13.5 Reference Evapotranspiration......Page 657
13.5.1 FAO56-Penman–Monteith Method......Page 658
13.5.2 ASCE Penman–Monteith Method......Page 662
13.5.3 Evaporation Pans......Page 663
13.5.4 Empirical Methods......Page 667
13.6.1 Index-of-Dryness Method......Page 670
13.6.3 Remote Sensing......Page 672
Problems......Page 673
14.1 Introduction......Page 675
14.2 Darcy’s Law......Page 681
14.2.1.1 Empirical formulae......Page 685
14.2.1.3 Anisotropic properties......Page 689
14.2.1.4 Stochastic properties......Page 693
14.3 General Flow Equation......Page 695
14.4.1 Unconfined Aquifers......Page 700
14.4.2 Confined Aquifers......Page 706
14.5 Flow in the Unsaturated Zone......Page 710
Problems......Page 715
15.2.1 Unconfined Flow Between Two Reservoirs......Page 719
15.2.2 Well in a Confined Aquifer......Page 721
15.2.3 Well in an Unconfined Aquifer......Page 725
15.2.4 Well in a Leaky Confined Aquifer......Page 728
15.2.5 Well in an Unconfined Aquifer with Recharge......Page 732
15.2.6 Partially Penetrating Wells......Page 733
15.3.1 Well in a Confined Aquifer......Page 737
15.3.2 Well in an Unconfined Aquifer......Page 747
15.3.3 Well in a Leaky Confined Aquifer......Page 755
15.4 Principle of Superposition......Page 760
15.4.1 Multiple Wells......Page 761
15.4.2 Well in Uniform Flow......Page 763
15.5.1 Constant-Head Boundary......Page 765
15.5.2 Impermeable Boundary......Page 769
15.6 Saltwater Intrusion......Page 771
Problems......Page 780
16.2 Design of Wellfields......Page 790
16.3.1 Delineation of Wellhead Protection Areas......Page 793
16.3.2 Time-of-Travel Approach......Page 794
16.4.1 Types of Wells......Page 796
16.4.2 Design of Well Components......Page 797
16.4.2.2 Screenintake......Page 798
16.4.2.3 Gravel pack......Page 802
16.4.2.4 Pump......Page 803
16.4.2.5 Other considerations......Page 804
16.4.3 Performance Assessment......Page 807
16.4.4 Well Drilling......Page 812
16.5.1 Pumping Well......Page 813
16.5.2 Observation Wells......Page 814
16.5.3 Field Procedures......Page 815
16.6 Design of Slug Tests......Page 817
16.7 Design of Exfiltration Trenches......Page 822
16.8 Seepage Meters......Page 827
Problems......Page 828
17.2 Planning Process......Page 834
17.3 Economic Feasibility......Page 837
17.3.1.1 Single-payment factors......Page 838
17.3.1.3 Arithmetic-gradient factors......Page 839
17.3.1.4 Geometric-gradient factors......Page 840
17.3.2.1 Present-worth analysis......Page 842
17.3.2.3 Rate-of-return analysis......Page 844
17.3.2.4 Benefit–cost analysis......Page 847
Problems......Page 848
A.1 Units......Page 850
A.2 Conversion Factors......Page 851
B.2 Organic Compounds Found in Water......Page 853
B.3 Air at Standard Atmospheric Pressure......Page 855
C.1 Areas Under Standard Normal Curve......Page 856
C.2 Frequency Factors for Pearson Type III Distribution......Page 858
C.3 Critical Values of the Chi-Square Distribution......Page 860
C.4 Critical Values for the Kolmogorov–Smirnov Test Statistic......Page 861
D.1 Error Function......Page 862
D.2.2.1 Bessel function of the first kind of order n......Page 863
D.2.2.5 Tabulated values of useful Bessel functions......Page 864
D.3 Gamma Function......Page 867
D.4 Exponential Integral......Page 868
E.2 Ductile-Iron Pipe......Page 869
E.4 Physical Properties of Common Pipe Materials......Page 870
F.1 Definition of Soil Groups......Page 871
F.2 Terminology......Page 872
Bibliography......Page 873
A......Page 931
C......Page 932
D......Page 935
E......Page 937
F......Page 938
G......Page 939
H......Page 941
I......Page 942
L......Page 943
N......Page 944
O......Page 945
P......Page 946
R......Page 948
S......Page 950
T......Page 954
U......Page 955
W......Page 956
Z......Page 958